Fils du comédien Jack Nicholson et de l'actrice Rebecca Broussard, Ray Nicholson a une sœur aînée, Lorraine Nicholson, également actrice. Durant son enfance, il fréquente la Brentwood School à Los Angeles. Bien que baigné dans le milieu du cinéma, il n'embrasse pas immédiatement une carrière d'acteur, envisageant d'abord des professions comme astronaute ou agent sportif.

Sa première apparition au cinéma se fait en 2006 avec un rôle mineur dans la comédie La Revanche des losers. Par la suite, il occupe divers postes derrière la caméra, notamment assistant réalisateur sur Une virée à deux en 2014. ​ Il revient devant la caméra avec des prestations dans plusieurs courts métrages avant de décrocher un rôle dans le thriller Netflix The Outsider (2018).

Ray joue également dans quatre épisodes de la série Mayans M.C. entre 2018 et 2019. En 2020, il apparaît dans le revenge movie Promising Young Woman, porté par Carey Mulligan. L'année suivante, l'acteur campe l'un des personnages principaux de la série Panic, diffusée sur Prime Video et participe au très bien reçu Licorice Pizza, mis en scène par Paul Thomas Anderson.

En 2022, Ray Nicholson joue l'amant de Diane Kruger dans le thriller Désir fatal et l'un des protagonistes de la romance Amazon Prime Something From Tiffany's. En 2024, le natif de Los Angeles est choisi pour prendre part à l'horrifique Smile 2, suite du lucratif Smile sorti en 2022. Une décision motivée par sa ressemblance avec son père dans le culte Shining sorti en 1980.

L'année suivante, il partage l'affiche avec Jack Quaid du violent thriller Novocaïne, où il interprète un braqueur de banque charismatique. Décidément friand de thriller, il sera prochainement à l'affiche de Borderline, qui se déroule dans le Los Angeles des années 1990, et dans lequel un garde du corps protège une superstar de la pop et son petit ami athlète de leur harceleur.

Laurent Schenck